鱼类捕捞是渔业养殖中的重要环节，传统的渔业捕捞存在劳动强度大、易对鱼体造成损伤等问题，而现代渔业生产过程中的捕捞和运输对输送效率和鱼体低损率均有较高要求[1-2]。吸鱼泵是一种专门应用于活鱼捕捞和转运的设备，不仅可以降低劳动强度和捕捞成本，且具有起卸效率高、鱼体损伤率低等优点[3-4]。吸鱼泵可分为真空式、离心式和射流式3种形式[5]，真空式吸鱼泵利用可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)控制罐内负压和阀门的开闭，自动化程度高，鱼体损伤率低，但存在连续性差且容易发生故障的缺点；离心式吸鱼泵利用叶轮旋转产生的离心力形成负压，能量转换效率高，但鱼的死亡率较高；射流式吸鱼泵是利用高速水射流产生的负压，将鱼水混合物吸入到混合室中，输送的鱼不易损伤，但吸鱼泵的效率较低。
国外在20世纪50年代开始研制吸鱼泵，技术研发已相对成熟，如日本共荣造机株式会社等制造的旋转式无叶片活鱼吸鱼泵[6]，韩国开发的带J型槽的射流式吸鱼泵[7-8]。中国对吸鱼泵的研究起步较晚[9]，但是随着中国水产养殖规模的快速增长，吸鱼泵技术的研究已经走在了世界前列。徐茂森等[10]研究了射流式吸鱼泵喉管和喷嘴截面积比值对射流式吸鱼泵输送性能和鱼类损伤的影响。王伟等[11]利用Fluent软件包对离心式吸鱼泵进行研究，发现离心式吸鱼泵适合活鱼运输，但压力过于集中于进鱼管弯道处和叶轮间隙处。黄小华等[12]依据吸鱼泵工作原理对射流式吸鱼泵的工作参数和效率进行了计算。黄道沛等[13]提出利用真空式吸鱼泵对鱼体无损的优点来改进射流式吸鱼泵的方案，减小了运输压力，提高了射流式吸鱼泵流速，有效解决了存活率低的问题。田昌凤等[4]运用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)数值模拟结果设计了一种小型真空吸鱼泵，并在试验中验证了该吸鱼泵可以实现对活鱼的吸捕和转运。杨楠楠[14]在吸鱼泵中设计防堵塞结构，增强了吸鱼泵装置的实用性。刘平[15]应用ANSYS CFX对离心式吸鱼泵模型的内部流场进行仿真，并对叶轮进行重新设计，实现了高效吸鱼泵的设计优化。Xu等[16-17]运用数值计算方法研究了射流式吸鱼泵内部流动对鱼的影响及鱼的运动对吸鱼泵内部流场的影响。单建军等[18]采用主成分分析法建立吸鱼泵的损伤综合评价方法，为吸鱼泵的研究与改进提供了装备技术参数。以上研究主要关注了泵的结构设计和流体对于鱼类的损伤情况。然而，作为一种连续、低损伤的吸鱼泵，吸鱼泵效率低下问题并未得到太多的关注。在保证鱼类存活率的前提下，提高射流式吸鱼泵的工作效率是一个亟待解决的问题。本文通过在吸鱼管末端与工作泵进口之间设置分流管并在工作泵进水管设置阀门对工作水进水管流量进行调节，借助理论计算和数值模拟研究了进水管阀门在不同闭合角下吸鱼泵内的速度分布和压力分布，提高了射流式吸鱼泵的工作效率，可为射流式吸鱼泵的设计优化提供理论参考。
1 参数计算
本研究中首先根据文献[12]建立了传统射流式吸鱼泵结构及原理示意图，如图1所示。为了便于后续指导试验平台的搭建，本文所使用的计算模型为缩小的模型，吸鱼管直径为50 mm，长度为2.2 m；工作管直径为80 mm，长度为1.2 m，工作泵至吸入室的高度为0.4 m；排出管直径为80 mm，长度为0.5 m；喉管直径为50 mm，长度为0.3 m；射流式吸鱼泵安装高度Z=1.2 m；a为水面高度，吸鱼管中鱼水混合物流速假定为2.5 m/s。
图1 射流式吸鱼泵结构和原理示意图
Fig.1 Structure and principle diagram of jet suction pump
吸鱼泵的基本性能可用一组无因次参数来表示，包括压力比(h)、面积比(m)、流量比(q)和密度比
(1)
m=S喉管/S喷嘴，
(2)
(3)
(4)
式中：P为压力；ρ为密度；g为重力加速度；z为位置水头；v为断面平均流速；s为面积；下标s、o、c为被吸入流体、工作流体、混合流体。为方便起见，近似地取ρ0=ρs。令γ=ρg，则压力比公式可简化为
(5)
吸鱼泵输入功率为
P入
Qo(ΔPo-ΔPc)。
(6)
输出功率为
P出
QsΔPc。
(7)
吸鱼泵的效率为
(8)
吸鱼泵的流量和压力计算主要基于伯努利方程[12]，由于射流式吸鱼泵理论计算所涉及的计算量较大，且在参数计算过程中还存在参数选取不合理需要重新计算的情况，本文编制了相关计算程序，取大气压为100 kPa，重力加速度为10 m/s2。吸鱼泵的相关参数和效率计算结果见表1。
表1 传统吸鱼泵参数和效率
Tab.1 Parameters and efficiency of traditional jet pump
面积比/marea ratio压力比Hpressure ratio吸鱼管流速Vs/(m·s-1)suction pipe flow rate喉管直径dt/mthroat pipe diameter喷嘴面积Sn/m2nozzle area3.570.2422.50.050.000 55混合室压力Ps/Pamixing chamber pressure泵流量Qo/(m3·h-1)pump flow rate泵扬程H/mpump head排鱼管流速Vc/(m·s-1)discharge flow rate80 75035152.92吸鱼管水头损失/mhead loss of suction pipe 工作管水头损失/mhead loss of working pipe排鱼管水头损失/mhead loss of discharge pipe0.4120.0840.079喷嘴数量Nnumber of nozzles喷嘴直径Dn/mmnozzle diameter喷嘴速度Vn/(m·s-1)nozzle velocity吸鱼泵效率η/%jet pump efficiency127.817.516.1
2 效率改进
由理论计算可知，传统吸鱼泵的效率较低，在吸鱼管流速为2.5 m/s时效率仅有16.1%。如此低的效率已无法满足未来深远海大规模养殖捕捞的需求。为此，本文对上述模型进行了改进。采用Solidworks建立吸鱼泵改进的三维模型，如图2所示。模型主要由吸鱼管、射流器、喉管、工作管、进水管、进水管阀门、分流管等组成，在吸鱼管末端与工作泵进水管之间增加了一段分流管，目的是利用离心泵在进水端产生的负压使鱼水混合物中的部分水进入分流管，减少进水管流量的同时增加吸鱼管流量，从而提高吸鱼泵的效率。通过控制进水管阀门闭合角来控制分流管处负压进而控制分流管流量。改进的吸鱼泵分流管直径为50 mm，长度为0.4 m；进水管阀门选用球阀DN80，阀门安装高度Z1=0.4 m；离心泵安装高度Z2=0.8 m。其他参数与改进前吸鱼泵相同。
断面e-e为分流管上端面，断面f-f为工作泵进口端面。
Section e-e denotes the upper end face of the shunt pipe，and section f-f refers to the inlet end face of the working pump.
图2 改进的吸鱼泵模型
Fig.2 Model of improved jet pump
流体在流经阀门时会产生压力损失，紊流态液体公式为
(9)
式中：Δp为阀门压力损失；ζ为阀门流阻系数；u为流体在管道内的平均流速(m/s)。
球阀模型尺寸为DN80，闭合角为θ。阀的局部阻力系数ζ和θ之间的关系见表2[19](图3)。
表2 球阀局部阻力系数
Tab.2 Local resist coefficient of ball valve
闭合角θ/(°)closing angle阻力系数ζresist coefficient闭合角θ/(°)closing angle阻力系数ζresist coefficient150.754017.3201.565052.6253.160206305.47
图3 球阀闭合角
Fig.3 Closing angle of globe valve
为得到任意角度下阻力系数，采用5次函数对表2数据进行拟合，流阻系数ζ计算公式为
ζ=3.65e-6θ5-4.47e-4θ4+0.020 7θ3-
0.423θ2+3.75θ-10.7。
(10)
在工作泵不变的情况下，假设吸鱼管的流量与改进前一致，并设分流管中流速为0，则吸鱼管内流量为Qs=0.004 9 m3/s，吸鱼管中流速为vs=2.5 m/s。
对图2中断面a-a和断面e-e建立能量方程：
(11)
式中：Pa为当地大气压强；z=1.2 m；hws为吸鱼管水头损失，即
(12)
式中：λ=0.03；吸鱼管进水端速度vs=2.5 m/s；l为吸鱼管长度(2.2 m)；d为吸鱼管直径(0.05 m)。计算得：
hws=0.41。
(13)
代入式(7)得：
(14)
因分流管中流体不流动，则：
(15)
从断面a-a至断面f-f处建立能量方程：
(16)
式中：工作管水头损失hwm=0.056，可得阀门损失
hwf=0.484，
(17)
又：
(18)
计算得：
ζ=2.61。
(19)
由式(6)可得：
θ=24.1°。
(20)
因此，只有当阀门闭合角θ>24.1°即阀门开度<65.9°时，分流管才能正常工作。若阀门开度大于此临界值，则分流管中的水将发生逆流，吸鱼泵的效率将降低。
设进水管内速度vw=1.1 m/s，则进水管流量Qw=0.005 5 m3/s，工作泵流量Q0=0.009 7 m3/s，分流管流量为Qw=Q0-Qf=0.004 2 m3/s，吸鱼管流量为Qs=0.004 2+0.004 9=0.009 1 m3/s，吸鱼管速度为vs=4.63 m/s。按前述计算方法计算阀门损失为hwf=2.43，得：
ζ=40.24，θ=47.8°。
(21)
此时：
(22)
重复上述步骤，分别计算进水管内流体速度为0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7、1.9 m/s时吸鱼泵效率，计算结果见表3。从表3可见，分流管的流量和吸鱼泵的效率随着阀门闭合角θ的增大而增大。需要注意的是，分流管的最大流量取决于鱼水混合物的鱼水比，当鱼水比为1∶1时，分流管流量最大不能超过吸鱼管流量的1/2，且此时由于吸鱼管末端鱼水比过大很容易发生堵塞。当吸鱼管内鱼水比为1∶1时，吸鱼泵的效率极限为33%。随着鱼水比的降低，吸鱼泵的效率极限可进一步提高。
表3 阀门闭合角及吸鱼泵效率计算结果
Tab.3 Calculation results of valve angle and suction pump efficiency
分组group闭合角/(°)closing angle工作管速度/(m·s-1)working pipe velocity工作管流量/(m3·s-1)working pipe flow rate分流管流量/(m3·s-1)shunt flow rate吸鱼管流量/(m3·s-1)fish pipe flow rate效率/%efficiencyCase175.10.30.001 5070.008 20.013 143.0Case264.20.50.002 5120.007 20.012 139.8Case357.50.70.003 5160.006 20.011 136.5Case452.40.90.004 5210.005 20.010 133.2Case547.81.10.005 5260.004 20.009 129.9Case642.91.30.006 5310.003 20.008 126.6Case736.71.50.007 5360.002 20.007 123.3Case830.11.70.008 5400.001 20.006 120.0Case925.31.90.009 5450.000 20.005 116.7
3 CFD数值计算
3.1 流体控制方程
流体在运动过程中除了要遵循前述能量方程外，还要遵循连续方程和动量方程。
3.1.1 连续性方程 流体的连续性方程遵循质量守恒定律，以流体微元为对象。该方程[20]可以表示为
(23)
引入矢量符号：
(24)
则式(10)可变为
(25)
式中：ρ为流体密度；t为时间；u为速度矢量V在x方向上的分量；v为速度矢量V在y方向上的分量；w为速度矢量V在z方向上的分量。
3.1.2 动量方程 在流场中，根据牛顿第二定律得到的控制方程式为动量方程。流体微元上的合外力作用在数值上与单位时间内流进流体微元中的动量增加量相等，由此可得动量方程式[21]为
(26)
式中：面力fs和体积力fb分别为
fs=-
P+[τ],
(27)
fb=ρg。
(28)
式中：P为施加在流体微元上的压力；τ为黏性应力；对于牛顿流体，应力张量在三维笛卡尔坐标系下的展开形式为
(29)
式中：μ为流体分子动力黏度系数；λ为体积黏度系数，一般取值λ=2/3μ。
3.2 数值模型及网格无关性验证
为验证理论计算的准确性，采用CFD方法计算射流式吸鱼泵在阀门不同闭合角下吸鱼泵内流体流量和压力，进而计算吸鱼泵的效率。首先将Solidworks建立的吸鱼泵三维模型导入Fluent Meshing中进行网格划分，完成对模型的计算域和边界处理，如图4所示。流体域采用四面体网格，进水管、工作管和出水管网格尺寸10 mm，喷嘴处网格进行局部细化，其他区域网格自然过渡。设置工作气压为标准大气压，同时考虑到重力影响，重力方向竖直向下。进口边界条件inlet1和inlet2为压力进口，总压为0；outlet为压力出口；工作水泵采用弯管代替，泵入口截面设置为fan边界，压力跃升150 kPa(泵的扬程)。Realizable k-ε湍流模型可以准确计算吸鱼泵中介质的流动、分离和再循环[8，22]，因此选用Realizable k-ε湍流模型进行计算。
图4 模型边界条件
Fig.4 Boundary conditions of the model
模型中喷嘴直径较小，喷嘴处网格大小直接影响到计算精度和计算速度。为保证计算精度，同时不至于细化后的模型规模过于庞大，首先对喷嘴处的网格进行局部细化和网格尺寸无关性验证。
图5给出了当阀门角度为47.8°时喷嘴速度与最小网格尺寸的关系。随着网格尺寸的减小，喷嘴速度有小幅度增大，当网格尺寸小于1 mm时，继续细化网格尺寸对计算结果影响不大。考虑到模型规模，本文选择喷嘴最小网格尺寸为1 mm。
图5 喷嘴速度与最小网格尺寸关系
Fig.5 Relation between nozzle velocity and minimum grid size
3.3 模拟结果与分析
按照表3中阀门计算角度在数值模型中对阀门闭合角进行调整并进行模拟计算。图6和图7为当阀门闭合角为47.8°(对应表3中case5)时吸鱼泵的速度和压力云图。可以看出，进水管流速与理论值基本相等，吸鱼管流速和喷嘴最大速度均与理论值接近，证明了数值模型的可靠性及理论计算结果的正确性。需要指出的是，由于进水管管路阻力升高，工作泵的进口流速1.61 m/s低于理论值1.9 m/s，相应的喷嘴流速也略低于理论值。同时，由于吸鱼管流速增大阻力也随之增大，吸鱼管的平均流速4.12 m/s低于理论值4.63 m/s。但是由于工作管流量小于理论值，工作泵做功减少，吸鱼泵的工作效率反而大于理论值。
图6 阀门角度47.8°吸鱼泵速度云图
Fig.6 Velocity contour of the jet pump at the valve angle of 47.8°
图7 阀门角度47.8°压力云图
Fig.7 Pressure contour of jet pump at the valve angle of 47.8°
针对不同的阀门闭合角，提取吸鱼泵进水管流量、吸鱼管流量，结合各截面平均压力计算吸鱼泵工作效率，结果见表4。从表4可见，随着阀门闭合角的增大，吸鱼管的流量和吸鱼泵的效率逐渐增大。
表4 吸鱼泵效率数值计算
Tab.4 Numerical results of jet pump efficiency
分组group闭合角/(°)closing angle工作管速度/(m·s-1)working pipe velocity工作管流量/(m3·s-1)working pipe flow rate吸鱼管流量/(m3·s-1)fish pipe flow rate效率/%efficiencyCase547.81.130.005 670.008 0732.00Case642.91.290.006 480.007 2228.63Case736.71.480.007 430.006 1724.47Case830.11.650.008 280.005 4321.53Case925.31.750.008 790.004 8619.27
3.4 喉管压力分布
射流式吸鱼泵在输送鱼类的过程中，可能会对活鱼造成损伤，其原因之一是内部流场变化剧烈。与其他部位相比，当鱼在喉管附近时鱼的表面压力分布最不均匀。从图8可见，在喉管处建立直角坐标系，喉管轴向压力和径向压力如图9所示。从图9可见，吸鱼泵喉管内轴向压差和径向压差均较小，在喉管内轴向压力基本维持不变，在进入扩散管后由于流体速度下降压力有所升高，负压减小。在喉管进口处，管外围流速大负压绝对值也较大，管外围与管中心的压差约10 kPa，基本不会对鱼产生较大影响。至喉管出口处压差基本消失，说明喉管出口径向流速已较均匀。
图8 喉管坐标系
Fig.8 Coordinate system of the throat pipe
图9 吸鱼泵喉管压力分布
Fig.9 Pressure distribution of the throat pipe
4 试验验证
为验证理论计算及数值计算结果的准确性，搭建了吸鱼泵物理模型试验装置，如图10所示。通过精确调整阀门的开度，使物理模型试验工作条件与理论计算和数值计算的工作条件一致。3个压力表分别测量吸鱼管末端、喉管末端及工作管末端的工作压力，吸鱼管及分流管的流量使用超声波流量计进行测量。得到工作压力和流量后，按照前述工作效率计算公式计算吸鱼泵的工作效率。改进后的射流式吸鱼泵工作效率试验结果与理论和数值结果的对比如图11所示。从图11可见，试验结果与理论和数值计算结果三者具有较好的一致性，总体来看，吸鱼泵工作效率与阀门闭合角大致成线性关系，试验结果略低于理论和数值计算结果。
1—工作水进水管；2—阀门；3—工作泵；4—工作水管；5—吸鱼泵；6—吸鱼管；7—分流管；8—排出管；9—压力表；10—超声波流量计。
1—working water inlet pipe；2—valve；3—working pump；4—working water pipe；5—jet pump；6—fish suction pipe；7—diversion pipe；8—discharge pipe；9—pressure gauge；10—ultrasonic flowmeter.
图10 试验装置
Fig.10 Experiment setup
图11 理论计算、数值计算和试验效率对比
Fig.11 Comparison of theoretical，numerical and experimental efficiencies
5 结论
1)理论计算、数值计算及物理试验表明，通过在吸鱼管末端与工作泵进口之间设置分流管，并在工作泵进水管处设置阀门对进水管流量进行节流，增加了吸鱼管流量，可以提高吸鱼泵的工作效率。随着阀门闭合角的增大，吸鱼管流量逐渐增大，吸鱼泵的工作效率逐渐提高，吸鱼泵效率与阀门闭合角成线性关系。
2)试验表明，只有当阀门闭合角θ>24.1°即阀门开度<65.9°时，分流管才能正常工作，若阀门开度小于此临界值，则分流管中的水将发生逆流，吸鱼泵的效率将降低。当鱼水比为1∶1时，分流管流量最大不能超过吸鱼管流量的二分之一，吸鱼泵的效率极限为33%，对应阀门闭合角为52.4°。
3)本试验验证了CFD方法用于射流式吸鱼泵的效率和流场研究的有效性，数值模拟结果表明，吸鱼泵喉管内轴向压差和径向压差小于10 kPa，基本不会对鱼产生较大影响。
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